摘要:
魔表曾是 WCA 官方竞速项目之一,正反两面各 9 个表盘,四角各有一个按钮和一个拨轮。本文是这个数学探索系列的第一篇,介绍了魔表的外观结构与操作方式,并总结了几条基础数学性质。这些性质表明,魔表的指针变化本质上是一个模 12 上的线性系统,为后续建立数学模型和求解奠定了基础。 阅读全文
魔表曾是 WCA 官方竞速项目之一,正反两面各 9 个表盘,四角各有一个按钮和一个拨轮。本文是这个数学探索系列的第一篇,介绍了魔表的外观结构与操作方式,并总结了几条基础数学性质。这些性质表明,魔表的指针变化本质上是一个模 12 上的线性系统,为后续建立数学模型和求解奠定了基础。 阅读全文
posted @ 2026-07-22 18:27
H_Elden
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本文详细介绍多元函数无约束优化中的牛顿法与阻尼牛顿法。该方法利用目标函数的二阶导数信息(Hessian矩阵)构造二次近似,通过求解线性方程组确定搜索方向,具有二阶收敛速度。文章系统阐述了Hessian矩阵的性质、牛顿法的迭代公式及其几何意义,并通过手算实例展示了二次函数一步收敛的特性。针对标准牛顿法的局限性,引入阻尼牛顿法通过一维搜索确定最优步长,提高了算法的全局收敛性与稳定性。
本文详细介绍多元函数无约束优化中的最速下降法(又称梯度法)。该方法以负梯度方向为搜索方向,结合一维搜索确定最优步长逐步逼近极小值。文章系统阐述了其原理、几何性质(锯齿形路径)与收敛特性,并通过二元二次凸函数的手算实例与完整的C++代码实现,直观展示了算法流程。该方法原理简单、计算量小,是众多高级优化算法的重要基础。
本文详细介绍了一维搜索的插值方法中的二次插值法。该方法利用已知点函数值构造二次多项式近似原函数,通过计算插值极小点并比较函数值进行区间缩放,利用函数的解析信息保证较快的收敛速度,通过进退法确定初始区间后,可高效求解一维单谷函数的极小值。
前文得到了魔表的 30 操作通解公式,包含 16 个自由变量。本文将其转化为 ℓ0 稀疏优化问题,用 Google OR-Tools CP-SAT 约束求解器求全局最优解。对一万个随机状态求解,100% 证得全局最优,步数分布与 cube20.org 穷举结果在 0.5% 精度内完全吻合。两种操作模型殊途同归,上帝数为 12。
本文基于第五篇建立的 14×30 简化矩阵,直接在 Z₁₂ 上完成高斯消元求解。14 个主元全是自逆元,无需中国剩余定理。将消元过程封装为预变换 E·M·P = R,得到含 16 个自由变量的通解公式,用该公式计算出的特解最多 14 步即可复原魔表。
本文对前文生成的 18×64 操作矩阵 A 进行系统分析。发现 P/Q 联动规律使 64 种操作去重为 30 种;角部指针与拨轮存在固定驱动关系;18 维状态空间中 14 维可控、4 维由不变量锁死。利用 P/Q 联动进一步将 6 个原型简化为 5 个。所有数学规律均与魔表机械传动结构一一印证。
在前三篇中,我们利用魔表的旋转、对角镜像和正反互补三种对称性,将 64 种基本操作压缩为 6 个原型向量。本文把这些数学结论落地为代码:先按原型与补集交替排列 16 组按钮集,定义列排列约定;再将每种操作的效果向量填入完整的 18 × 64 矩阵 A。
在上一篇文章的线性模型中,需要手动标定 64 种基本操作的效果向量。本文通过探究魔表的内在对称性,证明只需标定 6 个原型操作即可推导出全部 64 种。文章逐一分析了三种对称性,每种对称性都给出了严格的数学定义,并通过实测验证了其正确性。最终结论是:64 种操作可由 6 个原型操作经对称变换生成,为下一篇建立精简的对称数学模型奠定了基础。
本文在前一篇的基础上,建立了魔表的完整数学模型。文章定义了状态向量和 64 种基本操作的效果向量,将魔表的求解问题转化为一个模 12 线性方程组,并讨论了如何标定一个关键的 18 × 64 的效果矩阵,简单介绍了求解模 12 线性方程组的两种思路(Smith 标准型和 CRT 拆分)。最后反思了这种方法的不足,引出利用对称性来简化工作量的策略。
本文介绍了可执行文件的分析方法。通过`objdump`和`nm`等工具,详细讲解了如何从ELF文件中提取汇编代码、机器码及函数变量的内存地址,并结合.map文件和实例解析,帮助理解程序的存储布局与底层执行机制。
本文介绍了C程序在RISC-V架构下的编译全过程。通过范例程序展示了从源码到可执行文件的转换,并详细讲解了二步到位与一步到位两种编译方法及其命令选项,帮助理解程序从高级语言到机器码的全栈运行机制。
本文详细介绍了一维搜索的试探方法中的黄金分割法。该方法基于黄金分割比0.618进行区间缩放,每次迭代仅需计算一个新点函数值,利用对称性和自相似性保证数值稳定性,通过进退法确定初始区间后,可高效求解一维单谷函数的极小值。
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